大直徑纖維纏繞水容器封頭增強(qiáng)研究

呂廣普，劉洪上，杜相榮

(西安向陽(yáng)航天材料股份有限公司，西安 710025)

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大直徑纖維纏繞水容器封頭增強(qiáng)研究

呂廣普，劉洪上，杜相榮

(西安向陽(yáng)航天材料股份有限公司，西安 710025)

本文對(duì)橢球封頭受內(nèi)壓時(shí)的應(yīng)力進(jìn)行了分析，針對(duì)塑料內(nèi)膽纖維纏繞水容器采取了兩種封頭增強(qiáng)措施，并進(jìn)行了爆破試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用糊布增強(qiáng)和擴(kuò)孔纏繞能夠有效提高封頭的環(huán)向強(qiáng)度，采用兩縱五環(huán)工藝?yán)p繞補(bǔ)強(qiáng)后6386容器的爆破強(qiáng)度達(dá)到了4.4 MPa，較改進(jìn)前的2 MPa有了大幅提高，超過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

纖維纏繞成型；封頭增強(qiáng)；爆破試驗(yàn)；水容器

1　引 言

1.1大直徑纖維纏繞水容器簡(jiǎn)介

水處理容器大多以PE、ABS塑料為內(nèi)襯，殼體采用不飽和聚酯樹脂或環(huán)氧/玻璃纖維由螺旋、環(huán)向纏繞而成，產(chǎn)品直徑一般在150～600 mm，大多用于軟水或凈水處理。隨著環(huán)保形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，為了使水處理容器用于污水處理，針對(duì)污水量較大的特點(diǎn)，通過(guò)滾塑成型工藝，研制出了直徑750～1 600 mm的大直徑纖維纏繞水容器，使水處理容器在污水處理領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

1.2大直徑纖維纏繞水容器改進(jìn)前狀態(tài)

西安向陽(yáng)航天材料股份有限公司環(huán)保事業(yè)部，主要生產(chǎn)塑料內(nèi)膽的纖維纏繞水容器，直徑從200 mm到1 600 mm不等。直徑750 mm以上帶法蘭容器開(kāi)始，采用滾塑成型工藝生產(chǎn)內(nèi)膽，然后進(jìn)行纖維纏繞成型。生產(chǎn)的大直徑塑料內(nèi)膽纖維纏繞水容器，纏繞層設(shè)計(jì)強(qiáng)度遵循網(wǎng)格理論，對(duì)于不同的內(nèi)膽，根據(jù)其直徑和爆破壓力，結(jié)合纖維的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)纏繞參數(shù)，經(jīng)爆破試驗(yàn)測(cè)試，爆破壓力能達(dá)到3.0 MPa，未對(duì)封頭采取任何增強(qiáng)措施。經(jīng)疲勞強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)，在30 000次時(shí)，容器的封頭出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。

通過(guò)解剖容器，我們發(fā)現(xiàn)是上封頭漏水，漏水部位在肩部，大約是產(chǎn)品半徑0.6～0.8倍的位置，此區(qū)域塑料內(nèi)膽出現(xiàn)裂紋，且裂紋呈縱向分布，而纖維厚度在此區(qū)域僅1.5～2 mm。這說(shuō)明封頭內(nèi)膽在該處的環(huán)向強(qiáng)度不足，因而造成縱向裂紋。經(jīng)分析，我們認(rèn)為纖維層厚度偏低是導(dǎo)致封頭纏繞層提供的環(huán)向強(qiáng)度不足，因此，需要對(duì)封頭進(jìn)行增強(qiáng)研究。

1.3封頭增強(qiáng)方法簡(jiǎn)介

在實(shí)際生產(chǎn)工作中， 封頭增強(qiáng)是一項(xiàng)難以實(shí)施的工藝技術(shù)，目前，封頭增強(qiáng)的方法主要有以下幾種：(1)鋪放布增強(qiáng)；(2)鋪放無(wú)緯帶增強(qiáng)；(3)增強(qiáng)物件在模具上先制成預(yù)定的形狀， 固化后脫模修整， 再貼在封頭處， 此方法工藝比較繁雜， 兩個(gè)面貼合度不是很好；(4)和常規(guī)纏繞一樣， 在縱向循環(huán)纏完后， 將筒身段纖維剪掉， 剩下兩封頭的纖維即為增強(qiáng)層， 其增強(qiáng)厚度可根據(jù)計(jì)算確定， 這種方法容易實(shí)現(xiàn)且效果較好， 但生產(chǎn)時(shí)浪費(fèi)過(guò)大，成本高；(5)其它局部小范圍封頭增強(qiáng)法。

1987年James D.Erickson[1]對(duì)碳纖維環(huán)氧壓力容器封頭增強(qiáng)方法進(jìn)行研究。文中采用環(huán)向纏繞的復(fù)合材料墊片對(duì)封頭進(jìn)行局部增強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用環(huán)向加強(qiáng)片增強(qiáng)方法，封頭強(qiáng)度能夠比未進(jìn)行增強(qiáng)的提高約17 % 。

劉炳禹等[2]對(duì)封頭增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并采用了兩種增強(qiáng)方法。(1)在金屬件邊緣用無(wú)緯帶進(jìn)行鋪層： 在殼體完成一個(gè)縱、環(huán)向循環(huán)后， 在后封頭金屬法蘭件邊緣一定的寬度范圍內(nèi)鋪放一層無(wú)緯帶， 鋪完后再纏繞剩余的纏繞層。這樣就實(shí)現(xiàn)了金屬法蘭件邊緣的加強(qiáng)層在纏繞層的中間， 確保加強(qiáng)層和纏繞層粘接較好。(2)采用全封頭增強(qiáng)：第二個(gè)縱向循環(huán)纏完后剪去筒身段纖維，保留封頭纖維， 再纏繞剩余的纏繞層， 使封頭增強(qiáng)層在兩個(gè)縱向?qū)又g， 使之粘接較好，整體度高。

胡俊等[3]研究了螺旋纏繞厚壁壓力容器封頭段的線型調(diào)整，提高封頭的整體強(qiáng)度。螺旋纏繞厚壁壓力容器封頭的線型調(diào)整方案為： 首先，計(jì)算封頭區(qū)域各緯度圓處強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的纖維層厚度， 調(diào)整極孔直徑大小以及測(cè)地線方程，確保纖維纏繞時(shí)既紗帶整齊排布又滿足封頭處各緯度圓的強(qiáng)度要求。

王東對(duì)某纏繞殼體增強(qiáng)工藝做了研究，采用了三種增強(qiáng)方法：(1)玻璃纖維縱向纏繞增強(qiáng)：在碳纖維纏繞鋪層之前，采用高強(qiáng)玻璃纖維浸漬基體樹脂，按照后開(kāi)孔直徑尺寸，進(jìn)行等開(kāi)孔縱向纏繞。殼體整體增強(qiáng)主要部位為前封頭肩部、后封頭整個(gè)型面、筒身段；(2)裁剪條形碳布增強(qiáng)：將碳布裁剪成條狀，浸透增強(qiáng)用樹脂后鋪放到殼體前、后封頭部位，考慮到后封頭的條狀布較寬，與封頭型面不吻合，需要在布的環(huán)向上剪多處切口，確保布能夠完全貼敷在封頭型面上；(3)裁剪環(huán)形碳布增強(qiáng)：將后封頭增強(qiáng)用碳布裁剪成環(huán)形，前封頭增強(qiáng)用碳布按要求裁剪成條形，浸透樹脂后鋪放到殼體前、后封頭部位，并對(duì)鋪放到后封頭拐點(diǎn)部位的布邊緣剪少量切口以確保貼敷在封頭型面上[4]。

2　封頭增強(qiáng)的理論分析

2.1橢球封頭受內(nèi)壓時(shí)的應(yīng)力分析

橢球封頭的薄膜應(yīng)力：

2.4.2 【指南建議】 由于測(cè)序可以揭示胎兒的遺傳信息，這些信息可能會(huì)影響父母一方或雙方以及整個(gè)家庭，因此理想情況下，生物學(xué)父母雙方(如果可能的話)都應(yīng)該同意對(duì)胎兒進(jìn)行測(cè)序。然而，對(duì)于所有產(chǎn)前檢查，只有孕婦才能同意對(duì)其進(jìn)行獲取胎兒遺傳物質(zhì)的侵入性手術(shù)。

(1)

(2)

a，b：分別為橢球殼的長(zhǎng)、短軸半徑，mm ；

x：橢球殼上任意點(diǎn)距橢球殼中心軸的距離mm。

(3)

圖1　不同橢球比封頭的應(yīng)力分布Fig.1 The stress distribution of different ellipsoidal heads

橢球封頭上各點(diǎn)應(yīng)力是不相等的，與點(diǎn)的位置(x，y)有關(guān)。

在封頭頂點(diǎn)處(x=0，y=b)：

(4)

經(jīng)向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力相等，均為拉應(yīng)力。

在殼體赤道處(x=a，y=0 )：

(5)

(6)

σm是常量，σθ是a/b的函數(shù)，即受橢球殼形狀影響。當(dāng)a/b=1時(shí)，橢球殼成為球殼，這時(shí)殼體受力最為有利。當(dāng)a/b增加時(shí)，橢球頂點(diǎn)應(yīng)力會(huì)增加，受力情況變差，赤道處會(huì)出現(xiàn)壓縮應(yīng)力(a/b>1.414) ，可能將橢球壓扁。

標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的應(yīng)力分布，規(guī)定a/b=2時(shí)的橢球封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。

根據(jù)上述的分析，對(duì)封頭增強(qiáng)，采取以下兩種方法：

第一種，內(nèi)膽封頭進(jìn)行糊布增強(qiáng)。

根據(jù)理論公式推導(dǎo)，要降低應(yīng)力，可以增大封頭的厚度。但因?yàn)樗萜鞯膬?nèi)膽由塑料制成，基本不能承受應(yīng)力，因此要增大封頭的厚度，就必須對(duì)封頭進(jìn)行糊布增強(qiáng)。

圖2　標(biāo)準(zhǔn)橢球封頭受內(nèi)壓時(shí)的應(yīng)力分布Fig.2 The stress distribution of standard ellipsoidal heads under internal pressure

圖3　標(biāo)準(zhǔn)橢球封頭帶圓柱筒段殼體的應(yīng)力分布Fig.3 The stress distribution of the cylindrical shell with a standard ellipsoidal head

第二種，纏繞層進(jìn)行調(diào)整，多層纏繞，增大纏繞角度，增加纖維在封頭的分布比例，以此提高纖維在封頭環(huán)向的分力，進(jìn)而提高封頭抵抗環(huán)向應(yīng)力的能力。

3　增強(qiáng)方法

3.1封頭糊布增強(qiáng)

針對(duì)6386等型號(hào)的內(nèi)膽進(jìn)行了糊布增強(qiáng)。6386型號(hào)的封頭基本上是標(biāo)準(zhǔn)封頭。封頭上糊制玻璃布4層，浸漬環(huán)氧樹脂。4層布錯(cuò)開(kāi)鋪放，糊布范圍到距離赤道線約100 mm位置，基本上是整個(gè)封頭都糊了四層布。

3.2纏繞層次及纏繞線型調(diào)整

根據(jù)先前的分析，決定在保留原來(lái)設(shè)計(jì)壓力的條件下，將纏繞分成兩層完成。第1層，將極孔直徑放大，纏繞紗落到封頭上，大約是產(chǎn)品半徑0.6～0.8的位置上，即擴(kuò)孔纏繞。第二層，完全貼著產(chǎn)品極孔纏繞，覆蓋第1層留下的空白部分，即正常纏繞。這是因?yàn)槿绻谝粚泳o貼產(chǎn)品極孔纏繞而第二層擴(kuò)孔纏繞的話，會(huì)在封頭形成一個(gè)未填滿的圓圈，影響產(chǎn)品封頭的外觀。

4　試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

4.1纏繞參數(shù)

根據(jù)網(wǎng)格理論，進(jìn)行了纏繞參數(shù)計(jì)算。以6386型號(hào)(直徑1 600 mm)為例，最后確定縱向纏繞2層，第一層采用擴(kuò)孔纏繞，紗帶落在封頭肩部，形成直徑1 050 mm的圓周。第二層采用正常纏繞，紗帶落在法蘭根部。環(huán)向纏繞5層。具體的紗帶寬度、紗團(tuán)數(shù)量等工藝參數(shù)略去。

圖4　擴(kuò)孔纏繞的容器Fig.4 The vessel with chambering winding

4.2爆破試驗(yàn)

按照封頭補(bǔ)強(qiáng)的新纏繞工藝與舊生產(chǎn)工藝分別纏繞6386容器，進(jìn)行了爆破試驗(yàn)。爆破分析情況見(jiàn)表1，圖5-6分別為新舊工藝爆破試驗(yàn)情況。

表1　爆破試驗(yàn)分析

圖5　新工藝生產(chǎn)的6386容器爆破試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 The vessel 6386 bursting test results of new process

圖6　舊工藝生產(chǎn)的6386容器爆破試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 The vessel 6386 bursting test results of old process

4.3結(jié)果分析

按照新工藝?yán)w維纏繞的6386容器，爆破壓力比設(shè)計(jì)壓力還高，這有兩方面的原因。第一，封頭糊布，提供了一部分強(qiáng)度。第二，擴(kuò)孔纏繞，提高了封頭的環(huán)向強(qiáng)度，避免了封頭環(huán)向壓應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品的過(guò)早破壞，使得纏繞纖維強(qiáng)度得到真正的發(fā)揮。產(chǎn)品最后是以法蘭整體脫出的形式破壞的，且纖維呈現(xiàn)典型的爆炸形狀，都證明纖維強(qiáng)度發(fā)揮很好。

反觀舊工藝生產(chǎn)的纖維纏繞6386容器，爆破壓力沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，從封頭肩部撕裂，且肩部位置一圈出現(xiàn)多條凹陷的裂紋，證明封頭肩部確實(shí)產(chǎn)生了很大的壓應(yīng)力，而纖維承受壓應(yīng)力的能力較弱，因此纖維過(guò)早破壞，造成爆破壓力偏低。

5　結(jié) 語(yǔ)

采用擴(kuò)孔纏繞與正常纏繞相結(jié)合的工藝，對(duì)纖維纏繞的塑料內(nèi)膽水容器的封頭進(jìn)行糊布增強(qiáng)，可以提高水容器封頭的環(huán)向強(qiáng)度，提高水容器的爆破壓力，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用兩縱五環(huán)工藝?yán)p繞補(bǔ)強(qiáng)后6386容器的爆破強(qiáng)度達(dá)到了4.4 MPa，較改進(jìn)前的2 MPa有了大幅提高，超過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

[1]James D Erickson.碳纖維環(huán)氧壓力容器封頭加強(qiáng)研究[J] .國(guó)外固體火箭技術(shù)，1987(4)：19-24.

[2]劉炳禹，張煒，王曉潔.封頭增強(qiáng)技術(shù)研究[J] .固體火箭技術(shù)，1996(4)：57-61.

[3]胡俊，李鵬，吳耀楚.螺旋纏繞厚壁壓力容器封頭段的線型調(diào)整[J].化工機(jī)械，2003(1)：26-28.

[4]王東，某纏繞殼體增強(qiáng)工藝研究[J].航天制造技術(shù)，2007(2)：36-37.

Study on the Reinforcement of the end Closure of Large Diameter Filament Winding Water Treatment Vessels

LV Guangpu,LIU Hongshang,DU Xiangrong

(Xi'an Sunward Aeromat Co.,Ltd，Xi'an 710025)

This article has analyzed the stress when bearing the inner pressure on the ellipsoid end enclosure.In allusion to the plastic inner shell filament winding water treatment vessels,two kinds of end enclosure strengthen measures have been adopted and the bursting test has been done.The test result proves that adopting the pasting strengthen by hand-molding and chambering winding could improve the circular strengthen on the end closure efficiently.

filament winding；end closure strengthen； bursting test；water treatment vessel

2015-08-03)

呂廣普(1984-)，男，河北人，碩士，工程師。研究方向：復(fù)合材料纏繞工藝技術(shù)。E-mail：hhlgpy@163.com.